王雪梅 馮兆忠 汲玉河 常鳴 申芳霞 余振 要茂盛
1 暨南大學環境與氣候研究院, 廣州 510632
2 南京信息工程大學應用氣象學院, 南京210044
3 中國氣象科學研究院生態與農業氣象研究所, 北京 100081
4 北京航空航天大學空間與環境學院, 北京 100191
5 北京大學環境科學與工程學院, 北京 100871
國家生態保護和高質量可持續發展迫切需要加強地球系統多圈層相互作用的研究,其中大氣與生態系統的交叉融合研究日益受到科學界的重視。早在2004 年,國際地圈—生物圈計劃(IGBP)就針對大氣與生態系統相互作用設立了陸地生態系統—大氣過程集成研究計劃(iLEAPs)。我國也于2001 年開始建設國家尺度跨生態系統的通量觀測網絡,并基于該平臺開展了從微觀的分子層面到宏觀的全球尺度的研究,推動了大氣與生態系統多過程之間的聯系和反饋等機理研究的發展(于貴瑞等, 2014)。近年來,在國家生態文明建設的需求驅動下,我國相關領域研究非?;钴S,尤其在生物氣溶膠科學與技術、大氣組分對生態系統影響、生態系統對大氣過程的反饋、生態氣象監測與模擬新技術方法等方面得到了長足發展。2019 年,中國氣象科學研究院周廣勝研究員牽頭組織相關科學家在中國生態學學會正式成立生態氣象專業委員會。然而,目前這一領域的工作總體上仍比較零碎和分散,亟需整合大氣成分、氣候變化及大氣過程與生態系統相互作用的研究工作,以促進生態環境保護和應對氣候變化工作的有機結合(王體健等, 2019;吳建國等, 2020)。
國家自然科學基金委員會(簡稱“自然科學基金委”)開展了新時代科學基金資助改革,提出了“明確資助導向”“完善評審機制”和“優化學科布局”三大改革任務。其中,申請代碼調整是“優化學科布局”任務的重要組成部分和切入點。地球科學部地球科學五處(大氣科學學科)(簡稱“大氣學科”)在科學界的支持下,集思廣益,調整了大氣科學學科申請代碼,形成2020 版大氣科學學科申請代碼和關鍵詞。2021 年對申請代碼進行了微調,并進一步完善關鍵詞。其中,D0507 生態氣象是此次代碼調整中新增的大氣學科二級申請代碼(劉哲等, 2020)。這一代碼的設立,標志著生態氣象作為一門交叉學科受到科學家和政府的高度關注和重視。
生態氣象是研究生態系統與大氣之間相互作用的科學(周廣勝和周莉, 2021),是氣候系統多圈層相互作用的關鍵環節,推進了生態學與氣象學的交叉融合研究(何建軍等, 2020)。本次大氣科學學科申請代碼調整新增生態氣象二級申請代碼,有利于生態學與氣象學的進一步交叉融合研究。本文對生態氣象下設研究方向和關鍵詞的內涵、邏輯關系、具體考量等進行解讀,并利用文獻計量學方法分析了生態氣象關鍵詞的使用情況,期望幫助基金申請人更好的選擇申請代碼和關鍵詞,提升通訊評審的精準指派。
生態氣象是生態學與大氣科學的交叉科學,并融合了生物學、地理學、遙感技術等科學(王讓會, 2018; 馮兆忠等, 2021)。生態氣象以大氣與生態系統相互作用為研究對象,涉及地球系統的五大圈層(大氣圈、生物圈、水圈、土壤圈、冰凍圈)及其相互作用,空間尺度從分子、個體、生態系統、景觀、區域、大洲到全球。目前,生態氣象設立4個研究方向,包括微生物的大氣過程、大氣變化的生態效應、生態系統對大氣的影響和生態氣象監測與模擬,生態氣象各研究方向之間的關系如圖1 所示。微生物的大氣過程強調微生物與大氣物理化學過程的相互影響,屬于新增前沿發展方向;大氣變化的生態效應強調大氣及其組分變化對生態系統不同時空尺度的影響;生態系統對大氣的影響強調生態系統對天氣、氣候、氣候變化過程及大氣組分變化的反饋;生態氣象監測與模擬強調新技術、新設備、新方法在生態氣象研究中的應用。生態氣象的研究方向、關鍵詞及其大致歸類詳見表1。
表1 生態氣象的研究方向、關鍵詞及其大致歸類Table 1 Research direction, keywords, and general classification of ecometeorology
圖1 生態氣象各研究方向關系示意圖Fig.1 Schematic of the relationship between different research directions of ecometeorology
本研究方向中微生物的范圍是廣義的,包括無法用肉眼觀察到的微生物及生物來源的可在大氣中傳播的物種或物質,例如細菌、真菌、病毒等微生物以及花粉、遺傳物質基因、細胞碎片和揮發性有機物等,關注微生物向大氣中釋放及其在大氣傳輸、沉降過程中發生的物理、化學和生物過程及其與大氣物理化學過程的相互作用,以及由此產生的對人體和生態系統健康的影響。因此,本研究方向關鍵詞從研究對象、科學問題和機理機制解析了大氣中的微生物及生物來源的成分與大氣物理化學過程的相互作用及其健康效應。
(1)研究對象
大氣中含有大量生物成分,對大氣環境和人體健康具有重要影響。研究對象包括“病毒”“細菌”“真菌”“花粉”“蛋白質”和“揮發性有機物和抗性基因”等懸浮于大氣中的不同類型的微生物或者生物來源的成分,“大氣生物組分”“空氣微生物”和“生物氣溶膠”是常見的三個指代大氣中微生物及其他生物來源物質的表達方式,“生物示蹤物”是指特異性的由微生物等釋放的可以指示微生物來源的化學物質,如阿糖醇、甘露醇和海藻糖等。其中,病毒、細菌、真菌和花粉等成分通過大氣傳播對人體有直接的暴露風險。例如,病原體暴露會直接造成感染,而過敏性物質會造成身體過敏反應。具體來講,花粉是導致人體過敏反應的重要的過敏原之一,是春秋季季節性過敏的重要元兇;真菌也
可釋放過敏性物質?!翱剐曰颉笔窃诳股貜V泛使用和環境壓力脅迫背景下產生的微生物來源的新型污染物?!暗鞍踪|”等生物成分可作為有效的冰核和云凝結核?!罢婢钡任⑸飼谧陨泶x過程中釋放揮發性有機物。這些生物成分通過大氣傳輸不但對人體健康有影響,而且也會造成局部地區生態環境的改變。相關研究也涵蓋針對這些生物成分的方法學研究如采集、檢測等。
(2)科學問題與機理機制
微生物或生物成分在大氣中的過程及其對人體健康和生態環境的影響都是亟待回答的重要科學問題。微生物在大氣中通過參與成云、自身代謝、轉化、傳輸和沉降等一系列過程,主要從環境和人體健康兩個方面產生影響,包括通過大氣過程和生態系統影響環境和通過健康或者毒性影響人體。
來源于花粉、細菌及其組成成分的物質,例如蛋白質,可以作為冰凝結核或者云凝結核參與成云過程,對云形成過程和后續效應產生影響。由于這些生物源組分在相對較高的溫度(>-15°C)下可作為高效的冰凝結核直接影響大氣成云過程,近年來受到的關注快速上升,據此將“冰核活性”“成核”作為該研究方向的關鍵詞選項。
微生物作為有生命屬性的生物體,不僅體內可發生復雜的生物化學代謝反應,同時也可通過其自身代謝過程對大氣環境中的其他組分產生潛在影響。其中,微生物硝化和反硝化過程是其影響氮素循環的關鍵過程。微生物在大氣中的“生物化學過程”“硝化”和“反硝化”等過程對微生物自身及大氣環境均可產生直接影響。微生物通過“傳播”“降塵”和“沙塵暴”等大氣過程影響生態環境,包括大氣中的生物多樣性及其沉降后對各類生態系統中生物多樣性的影響。
空氣暴露對人體健康的影響,即“空氣毒性”,與大氣中的化學組分和生物組分都密切相關。廣義的微生物通過耦合其他化學的氣粒組分,可通過過敏、促炎癥等途徑影響大氣組分引起的健康效應、過敏性疾病和傳染性疾病等,其在大氣環境中的過程變化可直接影響空氣毒性的變化。當前新冠疫情背景下,新冠病毒通過空氣傳播作為重要的傳播途徑之一已成為共識。病毒等病原體在大氣環境中的活性變化直接影響其傳染性和影響程度。從大氣科學的角度,研究微生物在大氣中的活性變化,對于未來應對通過空氣傳播的傳染性疾病防控有重要的理論價值(Yao, 2022)。
本方向主要包含大氣變化和生態效應兩大類的關鍵詞。其中,大氣變化包括大氣及其組成與狀態的變化,而生態效應則是由于人類活動或自然環境變化導致的生態系統組成、結構和功能的變化。因此,本研究方向的關鍵詞囊括了大氣變化與生態系統變化相關的內容。
(1)研究對象
大氣變化包括大氣組成成分和含量的變化,其中大氣組成成分主要涉及“臭氧”“氣溶膠”“溫室氣體”等關鍵詞。由于不論是平流層還是近地表的臭氧都與氣候變化緊密聯系,因此“氣候變化”也是主要研究對象的高頻關鍵詞之一。例如,地表的臭氧濃度隨著人類活動加劇而升高并形成大氣污染,對植被的生長產生影響,因而改變了植被對大氣二氧化碳的吸收并間接對氣候變化產生影響。相比而言,氣溶膠則是通過改變太陽輻射的透過率而對生物圈內部和各組分之間的能量傳遞產生影響,并進一步影響至氣候系統。
從生態系統角度出發,主要研究對象的關鍵詞包含了“海洋生態系統”和“陸地生態系統”,也包括了“生態系統的生態承載力”“生態功能”“生態系統脆弱性”等與其穩定性和服務能力緊密相關的指標。其中,對于陸地生態系統而言,“植被”是最主要的研究對象之一,也是高頻關鍵詞之一。而特別要指出的是,“植物生物多樣性”和“水分利用效率”這兩個關鍵詞指代的是直接受大氣變化影響的敏感指標,也是本方向研究的熱門主題。
(2)研究機制與過程
在大氣變化對生態系統產生的生態效應中,最受廣泛關注的關鍵詞是“氣候變化”與“氣候的生態效應”,主要包括“溫室效應”“大氣污染”等過程。溫室效應主要與二氧化碳、甲烷和氧化亞氮三種溫室氣體緊密相關,其影響遍布全球各個角落,故對生態系統過程產生的影響也最為直接。此外,大氣變化本身也包含大氣狀態變化所衍生的諸如高溫、熱浪等事件,這也是“干旱”等“極端天氣氣候事件”的誘因之一,其形成機制與過程也是當前研究熱點。而初級生產力作為量化大氣變化生態效應的最普遍使用的指標之一,其變化機制與過程也受到普遍關注。
此外,對于海洋生態系統而言,“海洋酸化”與大氣中的二氧化碳含量密切相關,是一個與碳循環緊密聯系的熱點問題。而對于陸地生態系統而言,當前的研究相對均勻地涵蓋了“生物入侵”“干濕沉降”“水土流失”“碳匯”等傳統研究中與“生態系統演變”密切相關的生態效應,也有部分研究開始涉及“碳中和”等近期的研究熱點。從總體上看,對陸地生態系統研究中,碳氮循環也是貫穿本方向對大氣變化機制和過程研究的主軸線。
氣象與生態系統是相互依存、相互作用的。生態系統在受到氣象條件和大氣成分作用的同時,也會對其所處生態環境的大氣乃至氣候產生不同程度的影響,如生態系統也能改變大氣的成分,調節局地氣候以及影響全球變化。因此,本研究方向的關鍵詞包含了生態系統各個層面對大氣影響相關的內容。
(1)研究對象
生態氣象研究生態系統與大氣之間的相互關系,是地球系統多圈層相互作用的關鍵環節。在研究生態系統對大氣的影響方面,主要涉及生態系統變化對大氣組分、天氣氣候及氣候變化的反饋。因此,從生態系統結構、功能、分布與度量的變化出發,設計了“生態工程”“生態系統調控”“生態系統服務”“生態系統適應性”和“生態系統穩定性”這些關鍵詞,以探索生態系統的生產功能(如生物量、生產力)、生態系統服務及生物多樣性與大氣條件之間的關系。
同時,從生態系統對大氣短期、中長期時間尺度和局地、全球空間尺度不同層面的影響出發,設計了“空氣質量”“溫室氣體”“氣候效應”“氣候變化”和“微氣候”作為生態系統變化對物理氣候系統的影響相關的關鍵詞,以表征生態系統對氣象條件和大氣組分變化的反饋作用;此外,“青藏高原”作為第三極,其對大氣環流、氣候有著獨特的貢獻,其中特殊的生態系統對于局地氣候存在著調節和適應的關系,也在此列為關鍵詞。
(2)研究機制與過程
為了理解自然和人工生態系統對大氣物理、化學過程與生物地球化學循環之間的交互作用,需要對地球系統的生物—物理—化學—社會過程進行深入的描述。其中,生態系統內部的多種過程直接對大氣組分變化產生影響,包括“生物固氮”“生物排放”和“植物吸附”等生物過程,這些過程通過影響大氣組分的排放、沉降等對空氣質量和溫室氣體等研究對象產生影響,進而間接影響全球氣候。同時在氣候變化和人為應對的背景下,生態系統的各項內部過程也會隨之發生演變,這些反饋與效應均需要開展相應研究。
生態系統通過其自身的結構與功能變化,也改變了其與大氣之間的物質和能量的交換、分配,影響地表能量、水分平衡和近地面大氣動力等非生物過程,例如植被生長導致的地表反照率、粗糙度的變化引起輻射、風溫結構的變化等,因此需要對“地氣交換”“碳氮水耦合”等生物地球物理、生物地球化學過程內在機制開展研究。這種對生態系統與大氣環境之間能量流動、物質循環的研究,不局限于某個生態系統,也不僅涵蓋自然過程,還涉及人為活動,例如土地利用和土地管理所造成的“氨交換”“水文過程”等的變化均值得深入探討,以明晰人類對生態系統—大氣相互作用的貢獻,提出人與自然和諧發展的氣象與生態系統相互作用關系途徑。
生態氣象監測與模擬的關鍵詞強調新技術、新設備、新方法的應用,其關鍵詞大致可以分為4 大類,模型模擬技術、遙感觀測技術、綜合觀測技術和特殊觀測技術。
(1)模型模擬技術
陸面過程模擬包括發生在陸面上(或海面上)的所有的物理、化學、生物過程,及其與環境組分要素、生態系統、各個圈層(大氣圈、生物圈、水圈、冰凍圈、巖石圈)之間的制約關系和反饋機制。
“生態系統模擬”包括對不同空間尺度的生態系統(個體、群落、生態系統、景觀、區域、大洲、全球等)的組成、結構、功能的模擬,以及對環境要素(氣象、土壤、水、大氣成分等)與生態系統相互作用及其反饋過程與機制的模擬。
“參數化”包括改變已有模型中的參數值,通過優化過程求出最佳解,提升模型模擬精度,也包括根據參數數據和邏輯關系生成新模型。
“多源遙感數據融合”是利用各種處理技術解決衛星傳感器不能同時獲取高空間分辨率和高時間分辨率影像的缺陷,以獲得高空間分辨率或高時間分辨率影像數據,包括圖像信息增強處理、多時相數據融合、不同空間分辨率數據融合、以及遙感影像與高程等環境信息的融合。
“大數據分析”是指利用本地電腦或云計算、云存儲和虛擬化技術,對數量巨大、來源分散、格式多樣的數據進行采集、存儲和關聯分析,或對海量數據進行處理,挖掘生態氣象相關的信息,包括云計算、云存儲、數據庫、虛擬化技術、數據傳輸技術、WebGIS 技術等。
(2)遙感觀測技術
“遙感監測”是利用遙感技術進行監測的技術方法。包括(衛星、航天飛機、載人飛船、天空站)航天遙感、(飛機、飛艇、氣球等)航空遙感、(高塔、車、船)地面遙感等獲取波譜信息和雷達信息,并可以基于這些信息實現對地球某個圈層及其組成要素的監測。
“生物監測”是利用生態系統(個體、種群或群落)或其代謝物或特異生化效應,對環境或其變化進行測定,以闡明環境健康狀況。
(3)綜合觀測技術
“氣候變化”觀測技術指針對氣候要素及其生態效應觀測的新理念、新技術、新方法。
“微氣象”觀測技術指對近地面大氣層中和上層土壤中小范圍的氣象要素進行監測的新理念、新技術、新方法,監測內容包括環境溫度、濕度、風速、風向、氣壓等氣象參數,也包括土壤墑情、水位、水情等環境要素。
“渦度相關”觀測技術指基于渦度相關觀測原理解決生態氣象研究的新理念、新技術、新方法。
“界面通量”觀測技術指生態系統與大氣之間不同界面之間能量傳輸與物質交換的新理念、新技術、新方法,包括植物蒸騰與散發、土壤蒸發(向上)、水汽凝結(向下)的觀測,以及植物光合作用(向下)、植物和土壤和呼吸作用(向上)觀測。
(4)特殊觀測技術
“控制實驗”是指經過特殊設計的專門實驗,人為地控制某些變量,從而突出某些變量的作用,以及對實驗所得的大量數據進行整理、分析,從中推出某些發現、結論,同時對實驗的假設進行驗證。
“同位素示蹤”是利用放射性核素或稀有穩定核素作為示蹤劑對研究對象進行標記的微量分析方法。同位素示蹤所利用的放射性核素(或穩定性核素)及它們的化合物是一種特殊物質,因此同位素示蹤被歸為特殊觀測技術。
在Web of Science 核心合集(SCI-E)數據庫中,作者以生態氣象各研究方向的關鍵詞(附表A1)對環境科學、氣象學和大氣科學、生態學三個學科的相關參考文獻進行檢索。本文將所檢索到的所有參考文獻題錄導出后,分析每個關鍵詞近五年及長期的使用情況(檢索時間為2022 年4 月20 日)。
檢索結果表明,生態氣象中各個關鍵詞對應的文獻出現頻率有顯著差異。例如,近五年相關文獻中,最高頻的氣候變化(Climate change)有8 萬余篇文獻(2017~2021 年),植被(Vegetation)有4 萬余篇,而生物示蹤物(Biotracer)、生物傳播(Biotransport)等僅有文獻數十篇。這種差異一方面與傳統生態氣象研究重視氣候變化和植被研究相關,另一方面也表明與低頻關鍵詞相關的研究方法應用或研究內容仍處于起步階段,未來需要密切關注其發展。另外,根據部分跨領域關鍵詞(如“氣候變化”)檢索到的文獻并不全是生態氣象相關的研究,由于文獻計量方法暫不能對此進行逐一區分,故可能會導致部分關鍵詞使用頻率的高估。未來在大氣學科對關鍵詞進行進一步完善時可能需要進行更為細致和針對性的設計。
圖2 顯示了文獻中生態氣象各個方向關鍵詞使用情況,圖中縱軸采用對數坐標軸,以期降低不同關鍵詞對應文獻條目數量級差異造成的干擾??梢钥闯觯海?)微生物的大氣過程方向的最高頻關鍵詞是生物多樣性(Biodiversity)、其次為細菌(Bacteria),且前5 個關鍵詞出現頻率遠超過其他關鍵詞,表明目前針對微生物的大氣過程的研究中研究對象以細菌居多,研究內容中與微生物多樣性相關的較多。(2)大氣變化的生態效應方向的最高頻關鍵詞是氣候變化,其次是植被,近五年關鍵詞出現頻率沒有出現明顯的分級現象,各個關鍵詞來自我國的文獻比例在近五年呈現較為均勻的增長。(3)生態系統對大氣的影響方向的最高頻關鍵詞是氣候效應(Climate effect)、其次為空氣質量(Air quality),其他關鍵詞出現頻率沒有出現明顯的分級現象;Ecosystem stability、Ecosystem regulation 出現的頻率在近五年增多(使得其排序上升);我國在Tibetan Plateau 相關的研究中占據統治地位,同時在Land-air exchange 這個關鍵詞上我國文獻占比近五年取得了大幅的增長,表明了我國研究者對陸氣交換方向有所加強。(4)生態氣象監測與模擬方向的最高頻關鍵詞是Climate change(出現頻率更為顯著,超過其他關鍵詞);其他關鍵詞出現頻率大概可以分兩級,一級為
圖2 2017~2021 年(第一行)和2002~2021 年(第二行)生態氣象關鍵詞文獻情況Fig.2 Literature publication related to keywords of ecometeorology: 2017-2021 (top line); 2002-2021 (bottom line)
Phenology、Parameterization、Biomonitoring、Eddy covariance,另一級為Big data analysis、Isotope tracing,在相關文獻出現的頻率在近五年排序上升,說明大數據處理技術、同位素示蹤技術研究近幾年取得了快速的發展。我國文獻比例在Biomonitoring、Ecosystem modelling、Micrometeorology 沒有大幅增長,可能需要關注。
當前,生態氣象下設的4 個研究方向并不是完全獨立的,各個方向之間也存在交叉。因此,部分關鍵詞可能適用于兩個以上方向。例如,“氣候變化”關鍵詞既可能是“大氣變化的生態效應”方向,也適用于“生態系統對大氣的影響”方向。對于交叉學科,在選擇關鍵詞的時候應該以研究中最核心的關鍵詞為主,參考本文中對關鍵詞的解讀內容,選擇最緊密相關的研究方向。對于既無專家填寫維護又無項目申報的關鍵詞,例如“生物示蹤物”“生物入侵”,建議在跟蹤一到兩年后根據學科發展進行修改。
微生物的大氣過程作為一個新的前沿發展方向,在項目申請中有交叉的二級申請代碼包括D0506大氣化學、D0514 大氣環境與健康氣象等,建議積極引入相關交叉領域專家完善專家庫。同時,建議申請人員在評估研究內容和方向內容契合度的基礎上,優先選擇更為精準的研究方向,從而推動我國研究人員在該研究方向的進展和國際國內的影響力。
本文對大氣學科下設的二級申請代碼D0507生態氣象研究方向和關鍵詞進行了解讀,旨在幫助基金申請人準確選擇和匹配申報項目的申請代碼和關鍵詞,也有助于申報項目評審專家的準確匹配,進一步促進學科的均衡發展。同時,本文還從生態氣象的研究空間范圍、研究對象、研究對象之間的內在關系等,對4 個研究方向,即微生物的大氣過程、大氣變化的生態效應、生態系統對大氣的影響、生態氣象監測與模擬,進行了細致闡述;并對4 個研究方向關鍵詞的相關文獻進行了統計分析。
隨著技術進步與學科研究的不斷深入,未來生態氣象將在研究方法、技術和內容上不斷更新和發展。例如,隨著數字化、網絡化、智能化的快速發展,“智慧氣象”等生態氣象特色方向的研究也得以拓展(馮兆忠等, 2021)。由于此次新冠疫情的暴發和流行,氣溶膠傳播新型傳染病以及大氣環境的影響也受到了前所未有的關注與重視(Dutkiewicz et al., 2020)。與此同時,生態氣象監測技術也取得新的進展,諸如渦度相關和痕量氣體高頻觀測等相關的新儀器、新設備也不斷投入使用。此外,遙感技術的興起與發展也為生態氣象學科提供了重要研究手段(周廣勝, 2006; 馮兆忠等, 2021)。近幾十年遙感圖像的空間、時間、光譜分辨率得到顯著提升,許多生態氣象指標已可以實現從立地尺度到區域乃至全球尺度的監測覆蓋,極大提升了生態氣象研究的便利性。隨著海量數據的獲取,強化生態氣象資料的同化技術研究,建立多數據源的生態氣象業務應用數據庫系統,搭建數字化共享平臺也成為迫切的需求(陳鵬飛等, 2018)。因此,未來應該繼續鼓勵新興技術對生態氣象(D0507)研究的推動作用,不斷吸納和優化與新技術、新手段、新方法密切相關的關鍵詞,吸引申請人和評審專家參與到學科發展建設中來,促進已有研究方向的深入、新興方向的拓展、交叉方向的融合。
致謝本文寫作過程中,周廣勝研究員、周國逸研究員給予悉心指導,并對論文認真修改。作者在此一并表示誠摯的感謝!
附錄A
表A1 生態氣象研究方向及關鍵詞解讀Table A1 Interpretation of keywords in ecometeorology
表A1 (續)
表A1 (續)
表A1 (續)
表A1 (續)